《细胞》：精子这也太厉害了！科学家发现，为了保持稳定遗传，精子竟然启动最大功率扫描基因组，修复DNA | 科学大发现

总有一些科学发现，会令人不禁感叹，生命的构造真是奇妙又精美。近期顶级期刊《细胞》杂志刊登的论文就给我们带来了这样一项发现[1]。

纽约大学朗格健康学院的科研团队通过单细胞测序发现，精子中高达九成的基因处于活跃的转录中，并通过这一程序来修复DNA损伤，减少突变。可以说，精子细胞的转录水平远远高于其他细胞，正是一种为了保持遗传稳定的“自我检查”。

更神奇的是，剩余的10%基因也不是“弃子”，这部分基因多与免疫、感觉功能相关，更高的突变速率能够帮助机体在面对外界不同环境时尽快适应。

这简直就是冥冥有天意，生命真神奇啊~

研究登上当期《细胞》封面

其实生殖细胞的特殊之处，很早就有科学家发现了。我们知道，人体内的每个细胞其实都含有这个人的全部基因信息，但是却不是所有的基因都会在同一时间表达，但是睾丸却表现得异常鹤立鸡群，超过80%的编码基因都是处于转录中的[2]。

事出反常必有妖，睾丸如此这般是为啥？科学家们也提出了一些假设来试图解释。最初的假设很直观：转录，说明功能有需要嘛。

但是细一想，这事儿不对，主要证据有三。一，人体这么多器官，要说功能和结构复杂，没谁能够比过大脑，可就算大脑表达基因的比例也没有这么高[3]；二，有许多研究表明，就算敲除睾丸中高表达的部分基因，雄性小鼠照样能够生儿育女[4]；三，对比转录组和蛋白质组，结果并不一致，也就是说高转录的基因并没有都翻译成为有功能的蛋白质[5]。

精子的发育

可见这些基因，表达出来还真的没有什么特殊用处。

另外一种假说则认为，由于精子形成涉及大规模的染色质重构，我们所观察到的转录其实是染色质重构造成的一种“泄漏”。不过这个假说也有些站不住，因为按照这个理论，在精子形成的后期应当表达水平比早期还高，但是真实情况却是完全相反的[6]。再说了，转录需要的能量可是非常多的，细胞也不傻，不会做这种无用功。

今天要说的这项研究则提出了一个全新的理论，科学家们把它命名为“转录扫描（transcriptional scanning）”。简单来说，大规模的转录其实是为了利用转录过程所附带的“转录耦合修复（TCR）”，系统地检测和修复DNA损伤，避免基因突变，保持遗传稳定。

研究者利用单细胞测序技术分析了人类和小鼠的睾丸细胞，分析结果表明，精子中编码基因的表达比例竟然高达90.5%。与此相对的，其他的体细胞表达比例仅有59.9%。

基因表达比例

这个现象肯定不寻常，研究者们想到了两种后果：要么，高水平转录导致突变增加，以致基因的多样性增加；要么，伴随转录的修复增加，降低基因突变率，以致基因组更稳定。

与公开的数据库对比之后，研究者发现，后者才是正确答案。与不表达的基因相比，那些积极转录的基因突变数量要少得多，部分类别甚至能降低20%以上。

显然，这种大规模转录事实上构成了对基因组的保护。

表达的基因反而突变更少

那么还有10%的没有转录的基因呢？

研究者分析了这部分基因的功能，发现主要涉及环境感知、免疫系统、防御反应等功能，而这些基因本身在人类的基因组中的进化速度就更快[7]。可以猜想，这部分基因在精子中不表达，可能有助于加速它们的进化。

这样看来，精子的高转录现象真是对进化速率的一次精巧调节，我们的生命简直太神奇辣~

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参考资料：

[1] Bo Xia et al., (2020), Widespread Transcriptional Scanning in the Testis Modulates Gene Evolution Rates, Cell, DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.12.015

[2] Soumillon M.Necsulea A.Weier M.Brawand D.Zhang X.Gu H.Barthès P.Kokkinaki M.Nef S.Gnirke A.et al.Cellular source and mechanisms of high transcriptome complexity in the mammalian testis.Cell Rep. 2013; 3: 2179-2190.

[3] Brawand, D., Soumillon, M., Necsulea, A., Julien, P., Csa´rdi, G., Harrigan, P.,Weier, M., Liechti, A., Aximu-Petri, A., Kircher, M., et al. (2011). The evolution of gene expression levels in mammalian organs. Nature 478, 343–348.

[4] Miyata, H., Castaneda, J.M., Fujihara, Y., Yu, Z., Archambeault, D.R., Isotani,A., Kiyozumi, D., Kriseman, M.L., Mashiko, D., Matsumura, T., et al. (2016).Genome engineering uncovers 54 evolutionarily conserved and testis-enriched genes that are not required for male fertility in mice. Proc. Natl. Acad.Sci. USA 113, 7704–7710.

[5] Wang, D., Eraslan, B., Wieland, T., Hallstro¨ m, B., Hopf, T., Zolg, D.P., Zecha,J., Asplund, A., Li, L.-H., Meng, C., et al. (2019). A deep proteome and transcriptome abundance atlas of 29 healthy human tissues. Mol. Syst. Biol.15, e8503.

[6] Naro, C., Jolly, A., Di Persio, S., Bielli, P., Setterblad, N., Alberdi, A.J., Vicini, E.,Geremia, R., De la Grange, P., and Sette, C. (2017). An orchestrated intronretention program in meiosis controls timely usage of transcripts duringgerm cell differentiation. Dev. Cell 41, 82–93.e4.

[7] Boehm, T. (2012). Evolution of vertebrate immunity. Curr. Biol. 22, R722–R732.Brawand, D., Soumillon, M., Necsulea, A., Julien, P., Csa´rdi, G., Harrigan, P.,Weier, M., Liechti, A., Aximu-Petri, A., Kircher, M., et al. (2011). The evolution ofgene expression levels in mammalian organs. Nature 478, 343–348.

本文作者 | 代丝雨